Efficient Synthesis of Rigid, Functional Macrocycles via Reversible Reactions

Rigide Makrozyklen zeigen aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und den daraus resultierenden besonderen Eigenschaften Potential für viele Anwendungen. Allerdings erschwert die rigide Struktur die Löslichkeit, weshalb der Einbau löslichkeitsvermittelnder Gruppen nötig ist. Diese werden meist am äußeren Rand eines Ringes angebracht; bei einer großen Kavität können diese auch im Innern angebracht werden. Simulationen zeigen, dass löslichkeitsvermittelnde Gruppen auch im Innern kleiner Kavitäten genug Platz hätten, da sie sich so anordnen können, dass sie alternierend nach oben und unten zeigen. ... mehrDamit stünde der äußere Rand der Zyklen für den Einbau funktioneller Gruppen zur Verfügung und der Zyklus wäre trotzdem löslich.
Aufgrund ihrer Planarität sind rigide Makrozyklen geeignete Bausteine für 2D-Polymere. Momentan werden 2D Polymere entweder mittels Oberflächen/Grenzflächen oder aufwendigen, modularen Synthesen in Lösung hergestellt. Die Anwendung von rigiden Makrozyklen als Monomere könnte beide Ansätze miteinander verbinden. Einerseits sollte durch die löslichkeitsvermittelnden Gruppen die wachsende 2D-Spezies in Lösung verbleiben, andererseits erzwingt die Planarität der rigiden Makrozyklen eine zwei-dimensionale Struktur.
Ziel dieser Arbeit war die Synthese von Makrozyklen mit löslichkeitsvermittelnden Gruppen verschiedener Größe im Innern, um die Simulationen experimentell zu belegen. Weiteres Ziel war der Einbau funktioneller Gruppen am äußeren Rand um zu zeigen, dass Folgereaktionen der Makrozyklen möglich sind.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst Monomere mit verschieden langen Alkylketten als löslichkeitsvermittelnden Gruppen synthetisiert, sowie mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen, wie Brom und Vinyl, welche die Makrozyklen zugänglich für Weiterreaktionen machen sollen. Aus diesen Monomeren wurde versucht, durch Cyclooligomerisation mittels Olefinmetathese bzw. Imin-Kondensation rigide Makrozyklen herzustellen, was eine thermodynamische Kontrolle der Reaktion aufgrund ihrer Reversibilität ermöglicht.
Während der Olefin-Metathese-Ansatz nicht so funktionierte wie erwartet, konnte mittels Imin-Kondensation eine Reihe rigider Makrozyklen mit verschiedenen löslichkeitsvermittelnden Gruppen im Innern und verschiedenen funktionellen Gruppen am äußeren Rand synthetisiert werden. Eine kürzlich erfolgte Literaturrecherche ergab, dass diese funktionalen, sechsgliedrigen Makrozyklen, welche aus Monomeren mit Aminen bzw. Aldehyde in meta-Position bestehen, bisher nicht veröffentlicht wurden. Die erhaltenen Makrozyklen bzw. Gemische aus linearen und zyklischen Oligomeren wurden mittels SEC, SEC-ESI Massenspektrometrie und NMR-Spektroskopie untersucht. Weiterhin wurde versucht die Makrozyklen zu isolieren.
Entgegen der Erwartungen begründet durch die Simulation wurde die Zyklisierung durch größere löslichkeitsvermittelnde Gruppen deutlich erschwert. Außerdem zeigten die Makrozyklen eine niedrige Löslichkeit, was den Einsatz als Monomere für 2D Polymere nicht möglich macht. Selbst nach Reduktion der Iminmakrozyklen zu den entsprechenden Aminen, also die Auflösung des durchkonjugierten, rigiden Systems, zeigten sie eine geringe Löslichkeit in gängigen Lösungsmitteln.

Rigid macrocycles display potential for many applications, due to their exclusive structure leading to unique properties. Nevertheless, the rigid structure often impedes solubility making solubilizing groups necessary to keep the cycles in solution. These solubilizing groups are usually integrated at the outer rim of a cycle or in the inner for large cavities. Simulations suggest that solubilizing groups find sufficient space inside the smaller cavities by arranging themselves pointing alternately up and down out of the cycle. Therefore, the outer margin would be available for other functional groups and the cycle would still be soluble.
... mehr
Due to their planarity, rigid macrocycles are suitable building blocks for 2D polymers. At the current state, 2D polymers are obtained either by a surface/interface approach or by modular synthesis in solution. The application of rigid macrocycles as monomers combines both approaches. On one hand, the growing 2D species should stay in solution due to the solubilizing groups; on the other hand, the planarity of the rigid macrocycles forces a two-dimensional structure.
The aim of the current thesis was to synthesize macrocycles with different solubilizing groups of sizes at the inner rim to confirm simulation results experimentally. The further aim was the integration of functional groups at the outer rim and to investigate their reactivity for further reactions.
Within this thesis, suitable monomers were successfully synthesized with alkyl groups of various lengths as solubilizing groups, as well as different functional groups directly on the backbone, such as bromine and vinyl, which make the macrocycles accessible for further reactions. These monomers were evaluated for the synthesis of rigid macrocycles by cyclooligomerization via olefin metathesis or imine condensation, allowing a thermodynamic control over the reaction due to their reversibility.
While the olefin approach did not work as expected, a series of rigid macrocycles with different solubilizing groups at the inner and functional groups at the outer rim were synthesized by imine condensation. According to a recent literature search, these functional six-membered macrocycles consiting of monomers with amines respectively aldehydes in meta-position have not been reported before. The resulting macrocycles or rather the mixtures of linear and cyclic oligomers were analyzed by SEC, SEC-ESI mass spectrometry and NMR spectroscopy. Furthermore, the isolation of the macrocycles was attempted.
Contrary to the expectations, based on the simulations, the cyclization was impeded significantly by larger solubilizing groups. Besides, the macrocycles exhibit a low solubility, preventing the application as monomers for 2D polymers. Even after reduction of the imine macrocycles to the corresponding amines ‒ hence, the breakup of the fully-conjugated, rigid system ‒ they show low solubility in common solvents.